高負載鏈輪冷處理后失效原因分析

朱科，田林，賀飛龍

西安煤礦機械有限公司 陜西西安 710200

1 序言

近期，一批深層滲碳采煤機鏈輪在表面強化拋丸后，發(fā)現(xiàn)鏈輪齒頂、齒面處產(chǎn)生裂紋，造成嚴重的質(zhì)量事故，為此進行失效分析，尋找問題原因。

鏈輪材質(zhì)為18Cr2Ni4WA鋼，詳細熱處理工藝過程如圖1所示。經(jīng)宏觀觀察、應(yīng)力分析、材料成分分析、金相分析、硬度梯度檢測以及碳濃度剝層分析，確定了鏈輪裂紋的開裂特征，并對失效原因進行了總結(jié)分析。

圖1 熱處理工藝過程

2 試驗過程與結(jié)果

2.1 宏觀觀察

鏈輪開裂的宏觀形貌如圖2所示，開裂位置位于齒頂端楞處，呈八字形貌；裂紋宏觀斷口形貌如圖3所示，各斷口呈一定的金屬光澤，心部有一較小區(qū)域可見光亮的金屬刻面，且中心處有三條裂紋交匯集中點。

圖2 宏觀形貌

圖3 裂紋宏觀斷口形貌

2.2 應(yīng)力分析

為研究裂紋工件的應(yīng)力狀況，對工件裂紋處、附近無裂紋處及正常鏈輪齒處進行了殘余應(yīng)力檢測，采用X射線衍射儀檢測殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)如下。

1）裂紋區(qū)域兩點：－145MPa、－142MPa。

2）無裂紋的正常區(qū)域三點：－138MPa、－28MPa、－135MPa。

3）正常鏈輪齒處四點：－138MPa、－150MPa、－148MPa、－141MPa。

2.3 材料成分分析

試驗樣品為鏈輪失效件，化學(xué)成分見表1，由Olmypus型直讀光譜儀測定。對比GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定的18Cr2Ni4WA鋼化學(xué)成分，失效鏈輪樣品的化學(xué)成分不符合標準技術(shù)要求，Mo元素含量超標。

表1 18Cr2Ni4WA鋼試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

2.4 金相組織和硬度分析

試驗樣品為鏈輪失效件，利用鉬絲線切割方法截取鏈輪失效件特征部位用于組織分析；試驗樣品依次用240～1200目（0.063～0.0021mm）的SiC砂紙進行研磨和拋光，拋光后的樣品用4%的硝酸乙醇溶液擦拭腐蝕，應(yīng)用Olympus GX71金相顯微鏡進行觀察；表面硬度在HRD165洛氏硬度計上進行檢測，洛氏硬度計的加載力為1471N，加載時間15s；顯微硬度采用EM-1500L顯微硬度計系統(tǒng)進行測試，顯微硬度計加載力為9.8N，加載時間10s。

使用金相顯微鏡觀察鏈輪樣品的滲碳層、心部金相組織，如圖4所示。依據(jù)JB/T 6141.3—1992《重載齒輪 滲碳金相檢驗》規(guī)定進行檢測。由圖4可知，滲碳層碳化物為5級，存在粗大的角塊狀碳化物，馬氏體及殘留奧氏體評為1級（1～4級為正常），齒心部組織為回火板條馬氏體，鐵素體級別1級（1～4級為正常），心部晶粒度級別7級。

圖4 金相組織

使用顯微硬度計檢測試驗樣品的滲碳層硬度梯度，如圖5所示。由圖5可知，鏈輪的表面硬度為59.5HRC，有效硬化層深度為6.0mm。

圖5 滲碳層硬度與深度的關(guān)系

2.5 隨爐試樣碳濃度剝層和金相組織分析

鏈輪的隨爐試樣樣品為φ60mm×150mm圓棒樣，滲碳結(jié)束后利用Olmypus型直讀光譜儀測定碳濃度梯度（見圖6），并對隨爐試樣采用Olympus GX71金相顯微鏡進行觀察，如圖7所示。

圖6 滲碳層碳濃度與深度的關(guān)系

圖7 次表層滲層組織（400×）

由圖6可知，工件表面wC在0.80%左右，次表層滲層碳濃度在1.00%左右，最大可達1.02%。

依據(jù)JB/T 6141.3—1992《重載齒輪 滲碳金相檢驗》進行檢測，由圖7可知，馬氏體及殘留奧氏體6級，組織為粗針狀回火馬氏體＋55%殘留奧氏體。

3 分析和討論

3.1 滲層碳濃度的影響

18Cr2Ni4WA鋼經(jīng)滲碳后，滲碳層和心部含碳量有很大差別，表層wC約為0.80%，次表層wC為1.02%，而心部含碳量為原始含量，根據(jù)司替海-海萊司公式

可估算出18Cr2Ni4WA材料滲碳前后表層、次表層以及心部的Ms點分別為110.8℃、40.4℃、309.2℃。

通過科學(xué)理論計算和圖7實際金相組織特征分析，證明在一定的冷卻速度下，隨著含碳量增加，Ms點降低，造成殘留奧氏體含量增加。由圖8可知，當(dāng)wC超過0.80%后，隨殘留奧氏體含量的增加硬度降低。硬度下降不符合質(zhì)量要求，需進一步通過淬火后的冷處理來提高硬度。

圖8 含碳量對淬火鋼硬度的影響

3.2 冷處理的影響

徐祖耀院士在其經(jīng)典著作《馬氏體相變與馬氏體》中提到馬氏體轉(zhuǎn)變的幾種方式，其中一種是馬氏體變溫形成，即馬氏體的數(shù)量只是溫度的函數(shù)；另一種是馬氏體等溫形成，即馬氏體的數(shù)量依賴于時間。大多數(shù)鋼種在Ms點以下，馬氏體形成數(shù)量只決定于溫度而不依賴于時間稱為變溫或非等溫形成[1]。

冷處理過程其實就是一個變溫過程，鏈輪在冷處理過程中，其溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橐惶荻茸兓D(zhuǎn)變過程也是一連續(xù)轉(zhuǎn)變，類似于連續(xù)冷卻過程即淬火過程的延續(xù)。冷處理的根本目的就是為殘留奧氏體轉(zhuǎn)變提供驅(qū)動力，促進其進一步轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體組織；對于滲碳零件因其滲層含碳量梯度變化，過共析層和共析層存在較多的殘留奧氏體組織，而冷處理可以促使?jié)B碳層過共析層和共析層殘留奧體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，進而提高工件硬度[2]。

由圖7和碳濃度梯度分析可知，該鏈輪殘留奧氏體含量較多，隨溫度梯度的變化其轉(zhuǎn)變過程為由表至里連續(xù)轉(zhuǎn)變；在冷處理變溫過程中，表層的殘留奧氏體最先開始轉(zhuǎn)變，因馬氏體與殘留奧氏體比體積差值，造成表層體積膨脹，但此時又受到次表層牽制，其表面應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力；而隨著溫度梯度逐漸變化，次表層的殘留奧氏體也開始發(fā)生轉(zhuǎn)變（且次表層殘留奧氏體含量最多），促使次表層體積膨脹，但次表層受外層已轉(zhuǎn)變滲層和內(nèi)部組織的影響，次表層組織應(yīng)力不能釋放，即在次表層產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)此內(nèi)應(yīng)力超過材料的抗拉強度時就會產(chǎn)生裂紋。

3.3 應(yīng)力狀態(tài)的影響

通過殘余應(yīng)力檢測，工件的裂紋區(qū)、非裂紋區(qū)、正常鏈輪齒處均為殘余壓應(yīng)力，表明開裂后工件應(yīng)力得到釋放，最終應(yīng)力表現(xiàn)為常規(guī)滲碳層較小壓應(yīng)力的基本特征，但無裂紋正常區(qū)域一處壓應(yīng)力卻僅為－28MPa，證明此工件有較大的內(nèi)應(yīng)力存在，當(dāng)工件的內(nèi)應(yīng)力呈現(xiàn)為拉應(yīng)力、且超過該材料的抗拉強度后，就會產(chǎn)生裂紋。

3.4 碳化物的影響

金相組織檢查顯示，鏈輪表面滲碳層碳化物為5級，存在粗大的角塊狀碳化物，表面碳化物層深約0.5mm。許多文獻報道，殘留碳化物的不利影響在于其超過某一臨界尺寸成為裂紋源，臨界尺寸一般應(yīng)控制在＜1μm，對高強度材料其臨界尺寸應(yīng)更小一些（＜0.5μm）[3]。同時碳化物割裂基體，增加齒表面的脆性，降低表面裂紋擴展因子KIC，進一步促進裂紋的發(fā)展。

3.5 化學(xué)成分對滲層含碳量的影響

一般而言，滲層含碳量多少與鋼材合金種類和含量關(guān)系密切，含碳量隨鋼鐵合金系數(shù)提高而增加，而Mo元素增加會較大地提高合金系數(shù)[4]；鋼材合金系數(shù)越大，表明材料的吸碳能力越強，表面含碳量也就越高。當(dāng)表面含碳量達到飽和狀態(tài)后，表面容易出現(xiàn)炭黑、碳化物超差及組織粗大等問題。因此，制定相關(guān)材料的滲碳工藝參數(shù)，需結(jié)合該材料的合金系數(shù)進行有針對性的優(yōu)化。

4 結(jié)論與建議

綜上所述，可得出以下結(jié)論與建議：

1）采用宏觀斷口觀察、應(yīng)力分析、熱處理工藝過程分析得知，鏈輪開裂性質(zhì)為熱處理冷處理產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力和碳化物大產(chǎn)生的脆性斷裂。

2）通過碳濃度剝層結(jié)果和金相觀察分析，建議優(yōu)化滲碳工藝過程，適當(dāng)?shù)亟档蜐B碳強滲期的碳勢，合理分配滲碳強滲期和擴散期時間配比，控制碳化物級別和滲碳層碳濃度。同時，優(yōu)化淬火冷卻參數(shù)，適當(dāng)降低淬火溫度，提高淬火冷卻速度，減少殘留奧氏體數(shù)量。

3）通過冷處理過程分析研究，建議控制冷卻速度，盡可能確保鏈輪過共析層和共析層轉(zhuǎn)變緩慢地同時進行，建立薄殼淬火力學(xué)模型，促使表面為壓應(yīng)力。另外，適當(dāng)延長冷處理后低溫回火時間或?qū)ζ溥M行多次低溫回火，進一步減少工件內(nèi)應(yīng)力。

4）根據(jù)化學(xué)成分分析和鋼鐵合金系數(shù)對滲層組織、碳化物的影響，應(yīng)嚴格控制原材料的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015技術(shù)要求，防止某一元素對滲碳過程產(chǎn)生不良結(jié)果。